DE102018213576A1 - Method for operating a sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (100) umfasst ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement (10) weist einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) auf, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels mehrerer Stromquellen (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei die Regelung der Nernstspannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers (56), eines Reglers (58) und eines Digital-Analog-Wandlers (59) erfolgt, wobei ein Ausgang des Reglers (58) einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler (59) liefert, wobei der Digital-Analog-Wandler (59) eine Kennlinie (64) für Ausgangssignale an die Stromquellen (60) aufweist, wobei die Kennlinie (64) mit Absenkungen (70) der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen (60) sind.A method for operating a sensor (100) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor (100) comprises a sensor element (10) for detecting the property of the measuring gas. The sensor element (10) has a solid electrolyte (12), a pump cell (40) and a Nernst cell (46), the pump cell (40) having an outer pump electrode (42) and an inner pump electrode (44), using a plurality of current sources (60) a pump current is driven through the pump cell (40), a Nernst voltage of the Nernst cell (46) being regulated, a measurement signal of the sensor element (10) being determined based on the pump current, the regulation of the Nernst voltage using an analog-digital Converter (56), a controller (58) and a digital-to-analog converter (59), an output of the controller (58) providing a digital manipulated variable for the digital-to-analog converter (59), the digital Analog converter (59) has a characteristic curve (64) for output signals to the current sources (60), the characteristic curve (64) being provided with reductions (70) in the output signals which are greater than tolerance values of the current sources (60).
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.A large number of sensors and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, this can be any physical and / or chemical properties of the measuring gas, one or more properties being able to be recorded. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a proportion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen proportion in the measurement gas part. The oxygen fraction can be recorded, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or in addition, however, other properties of the measurement gas can also be detected, such as the temperature.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren mit keramischen Sensorelementen bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO2), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliziumoxid (SiO2) enthalten können.In particular, sensors with ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solid bodies, that is to say on ion-conducting properties of these solid bodies. In particular, these solids can be ceramic solid electrolytes, such as zirconium dioxide (ZrO 2 ), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), the small additions of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or silicon oxide (SiO 2 ) can contain.
Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.For example, such sensors can be configured as so-called lambda sensors, as are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in a Motor Vehicle, 1st Edition 2010, pp. 160-165. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, the oxygen concentration in the exhaust gas can be determined over a wide range, for example, and the air-fuel ratio in the combustion chamber can thus be deduced. The air ratio λ describes this air-fuel ratio.
Die Breitband-Lambdasonde misst die Sauerstoffkonzentration oder die Konzentration von Reduktionsmittel in einem Messgas. Für den emissionsoptimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ist die Information des Restsauerstoffes im Abgas von hoher Bedeutung. Für den Betrieb einer Breitband-Lambdasonde wird diese an einen speziell für diesen Zweck erstellten Auswertebaustein (ASIC) eines Steuergeräts angeschlossen. Die Hauptaufgabe des ASICs ist es, die Nernstspannung, gemessen zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode, auf einen gewissen Zielwert, meistens 450 mV, einzuregeln. Die Stellgröße mit der die Nernstspannung eingeregelt werden soll, ist der Pumpstrom, der vom ASIC zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode getrieben werden muss. Wenn die Nernstspannung nahe an ihrem Zielwert liegt, ist der dafür nötige Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ist daher die unumgängliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der O2-Konzentration im Abgas.The broadband lambda probe measures the oxygen concentration or the concentration of reducing agent in a sample gas. Information about the residual oxygen in the exhaust gas is of great importance for the emission-optimized operation of an internal combustion engine. For the operation of a broadband lambda probe, it is connected to an evaluation module (ASIC) of a control unit specially created for this purpose. The main task of the ASIC is to regulate the Nernst voltage, measured between the reference electrode and the inner pump electrode, to a certain target value, usually 450 mV. The manipulated variable with which the Nernst voltage is to be regulated is the pump current that must be driven by the ASIC between the outer pump electrode and the inner pump electrode. If the Nernst voltage is close to its target value, the pump current required for this is a measure of the oxygen concentration in the exhaust gas. An exact determination of the pump current is therefore an essential requirement for an exact determination of the O2 concentration in the exhaust gas.
Die Pumpstromquelle nimmt vom Nernstspannungs-Regler einen digitalen Soll-Wert für den Pumpstrom entgegen und soll diesen dann durch die Sonde treiben. Bei einem digitalen Regler, der in einem Mikrokontroller realisiert wird, wird der digitale Regler-Stellausgang durch einen Digital-Analog-Wandler (DAC - Digital-Analog-Converter) in die „analoge Welt“ überführt.The pump current source receives a digital target value for the pump current from the Nernst voltage regulator and is then to drive it through the probe. In the case of a digital controller which is implemented in a microcontroller, the digital controller actuating output is converted into the “analog world” by a digital-to-analog converter (DAC - digital-to-analog converter).
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Damit die Regelung stabil arbeitet, muss der DAC in der Regel eine monoton steigende und stetige Kennlinie haben. Vereinfacht ausgedrückt sollte die DAC-Kennlinie keine „Sprünge“ haben die wesentlich größer als die DAC-Auflösung sind. Dies macht allerdings das DAC-Design in der Regel aufwändiger.Despite the advantages of the sensors and methods for operating them known from the prior art, they still have room for improvement. In order for the control to work stably, the DAC must generally have a monotonically increasing and steady characteristic. Put simply, the DAC characteristic should not have any “jumps” that are much larger than the DAC resolution. However, this usually makes the DAC design more complex.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und das den Aufwand für das Erstellen einer monotonen Kennlinie deutlich reduziert.A method for operating a sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods and which significantly reduces the effort for creating a monotonous characteristic curve.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle auf. Die Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode auf. Mittels mehrere Stromquellen wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben. Eine Nernstspannung der Nernstzelle wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Die Regelung der Nernstspannung erfolgt mittels eines Analog-Digital-Wandlers, eines digitalen Reglers und eines Digital-Analog-Wandlers. Ein Ausgang des Reglers liefert einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler Der Digital-Analog-Wandler weist eine Kennlinie für Ausgangssignale an die Stromquellen auf, wobei die Kennlinie mit Absenkungen der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen sind.The method according to the invention is suitable for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measuring gas or a temperature of the measuring gas. The sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measuring gas. The sensor element has a solid electrolyte, a pump cell and a Nernst cell. The pump cell has an outer pump electrode and an inner pump electrode. A pump current is driven through the pump cell by means of several current sources. A Nernst voltage of the Nernst cell is regulated. A measurement signal of the sensor element is determined based on the pump current. The Nernst voltage is regulated by means of an analog-digital converter, a digital controller and a digital Analog converter. An output of the controller provides a digital manipulated variable for the digital-to-analog converter. The digital-to-analog converter has a characteristic curve for output signals to the current sources, the characteristic curve being provided with reductions in the output signals that are greater than tolerance values of the current sources.
Bei einer Weiterbildung werden die Absenkungen der Ausgangssignale an Stellen der Kennlinie vorgesehen, die Schaltpunkten der Stromquellen entsprechen.In a further development, the reductions in the output signals are provided at points on the characteristic curve which correspond to the switching points of the current sources.
Bei einer Weiterbildung wird ein Ist-Wert des Pumpstroms basierend auf einem Soll-Wert für den Pumpstrom des Reglers berechnet.In a further development, an actual value of the pump current is calculated based on a target value for the pump current of the controller.
Bei einer Weiterbildung ist der Regler ein PID-Regler.In one development, the controller is a PID controller.
Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen gewichtet, wobei die Absenkungen der Ausgangssignale in der Richtung der Gewichtung Summen der Toleranzwerte von vorhergehenden Stromquellen entsprechen.In one development, the current sources are weighted, the reductions in the output signals in the direction of the weighting corresponding to sums of the tolerance values of previous current sources.
Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen binär gewichtet.In a further development, the current sources are weighted in binary.
Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen unabhängig voneinander abgeglichen.In a further development, the power sources are compared independently of one another.
Bei einer Weiterbildung wird jeder Stromquelle eine Absenkung des Ausgangssignals zugeordnet.In a further development, a lowering of the output signal is assigned to each current source.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.Furthermore, a computer program is proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.Furthermore, an electronic storage medium is proposed on which such a computer program is stored.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.Furthermore, an electronic control device is proposed which comprises such an electronic storage medium.
Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweist, wobei die Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät aufweist oder mit einem elektronischen Steuergerät verbunden ist.Furthermore, a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measurement gas, the sensor element having a solid electrolyte, a pump cell and a Nernst cell, the pump cell having an outer pump electrode and an inner pump electrode, the sensor further comprising an electronic control device or with an electronic control device connected is.
Unter einem Festelektrolytkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionenleitenden Eigenschaften, Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolytkörper kann auch aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.In the context of the present invention, a solid electrolyte body is understood to mean a body or object with electrolytic properties, ie with ion-conducting properties, for example oxygen-ion-conducting properties. In particular, it can be a ceramic solid electrolyte. For example, the solid electrolyte body can have stabilized zirconium dioxide and / or scandium-stabilized zirconium dioxide. The solid electrolyte body can also be formed from a plurality of solid electrolyte layers. A layer is to be understood as a uniform mass over a certain height, which is above, below or between other elements.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten oder eine Spannung gemessen werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metallkeramikelektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platincermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.In the context of the present invention, an electrode is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained or a voltage can be measured through the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode can comprise an element on which the ions can be built into the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode, which can be applied, for example, as a metal ceramic electrode to the solid electrolyte or can be connected to the solid electrolyte in some other way. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals such as gold or palladium can also be used in principle.
Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Messzelle zu verstehen, die einen Festelektrolyten als Membran zwischen zwei Elektroden verwendet. Dabei nutzt man die Eigenschaft des Festelektrolyten, ab einer bestimmten Temperatur Ionen des zu messenden Messgases, wie beispielsweise Sauerstoffionen, elektrolytisch von der einen Elektrode zu der anderen transportieren zu können, wodurch eine sogenannte Nernstspannung entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Unterschied des Partialdrucks des Messgases auf den verschiedenen Seiten der Membran bestimmen. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Messgas ausgesetzt, während die andere Seite an einer Referenz liegt.In the context of the present invention, a Nernst cell is to be understood as an electrochemical measuring cell which uses a solid electrolyte as a membrane between two electrodes. Here, the property of the solid electrolyte is used to be able to electrolytically transport ions of the measurement gas to be measured, such as oxygen ions, from one electrode to the other from a certain temperature, resulting in a so-called Nernst voltage. This property allows the difference in the partial pressure of the sample gas on the different sides of the membrane to be determined. With the lambda probe, one side of the membrane is exposed to the sample gas, while the other side is against a reference.
Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der ein Gehalt einer Komponente des Messgases, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Messspalt einerseits über das Messgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst wird. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Messgas von der Messgasseite der Festelektrolyt-Membran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Messgasstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei einem vorbestimmten Wert wie beispielsweise λ = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 im Messspalt ist beispielsweise immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Messgasionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus.In the context of the present invention, a pump cell is to be understood as an electrochemical cell in which a content of a component of the measurement gas, such as oxygen, in a measurement gap is determined on the one hand by the measurement gas which acts through a diffusion channel and on the other hand by the current flow of the pump cell being affected. Depending on the polarity of the sample gas, the pump current from the sample gas side of the Solid electrolyte membrane pumped into or out of the measuring gap. The pump current is regulated by an external controller in such a way that the lambda value in the sample gas exactly balances the sample gas flow through the diffusion channel and the sample gas in the measuring gap is kept constant at a predetermined value such as λ = 1. A lambda value of 1 in the measuring gap is always given, for example, when the voltage at the Nernst cell is 0.45 V. With a rich mixture, the pump current pumps the sample gas ions into the sample gas in the measuring gap, and out with a lean mixture.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise 700 °C bis 950 °C sein.In the context of the present invention, a heating element is to be understood as an element which serves to heat the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature from which the solid electrolyte becomes conductive for ions and is approximately 350 ° C. The operating temperature must be distinguished from this, which is the temperature at which the sensor element is normally operated and which is higher than the functional temperature. The operating temperature can be, for example, 700 ° C to 950 ° C.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platincermet hergestellt sein.The heating element can comprise a heating area and at least one feed path. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps with an electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element. Usually, the heating area heats up more during operation than the feed path, since it has a higher electrical resistance, so that these can be distinguished. The different heating can thus be achieved, for example, by the heating area having a higher electrical resistance than the feed path. The heating area and / or the feed line are designed, for example, as an electrical resistance track and heat up by applying an electrical voltage. The heating element can be made of a platinum cermet, for example.
Unter einem Stellwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein momentaner Wert einer Stellgröße eines Stellglieds zu verstehen. Die Stellgröße ist die Ausgangsgröße (die Stellung) des in der Steuerungs- und in der Regelungstechnik verwendeten Stellglieds, mit dessen Hilfe ein gezielter Eingriff in die Steuer- beziehungsweise Regelstrecke erfolgt.In the context of the present invention, a manipulated value is to be understood as a momentary value of a manipulated variable of an actuator. The manipulated variable is the initial variable (the position) of the actuator used in the control and regulation technology, with the help of which a targeted intervention in the control or regulating system takes place.
Unter einem Toleranzwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abweichung einer Größe vom Normzustand oder Normmaß zu verstehen, die die Funktion eines Systems oder Bauteils gerade noch nicht gefährdet. Genauer ist der Toleranzwert die fertigungstechnisch bedingte Abweichung eines Ist-Werts bzw. Ist-Ausgangsgröße eines Bauteils von einem Soll-Wert bzw. Soll-Ausgangsgröße zu verstehen. Mit anderen Worten ist der Toleranzwert der fertigungstechnisch bedingte Fehlergröße eines Bauteils bzw. die von einem Bauteil gelieferte Fehlergröße.In the context of the present invention, a tolerance value is understood to mean the deviation of a quantity from the standard state or standard dimension, which does not yet endanger the function of a system or component. More precisely, the tolerance value is to be understood as the manufacturing-related deviation of an actual value or actual output variable of a component from a target value or target output variable. In other words, the tolerance value is the defect size of a component due to the manufacturing technology or the defect size supplied by a component.
Unter einem ASIC (= application-specific integrated circuit) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine anwendungsspezifische integrierte elektronische Schaltung zu verstehen, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist. Die Funktion eines ASICs wird somit in den meisten Fällen nicht mehr verändert.An ASIC (= application-specific integrated circuit) is to be understood in the context of the present invention as an application-specific integrated electronic circuit which is implemented as an integrated circuit. The function of an ASIC is therefore no longer changed in most cases.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der bewusste Verzicht auf die Monotonie der Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers (DAC). So wurde herausgefunden, dass sich eine stabile Regelung erzielen lässt, wenn eine Kennlinie definiert wird, die zwar negative Sprünge hat, aber an keiner Stelle einen positiven Sprung. Ganz allgemein kann das vorgestellte angewendet werden, wenn im DAC an einer Kennlinienstelle etwas umgeschalten werden muss. Dann stellt sich die Frage, ob es nach dem umschalten „nahtlos“ bzw. stetig in der Kennlinie weitergeht oder nicht. Falls ein „nahtloser“ Übergang Aufwand erzeugt, kann gemäß dem Prinzip darauf verzichtet werden und stattdessen bewusst der Kennlinie bzw. dem typischen Design ein negativer Sprung verpasst werden, um diesen Aufwand zu sparen.A basic idea of the present invention is the deliberate avoidance of the monotony of the characteristic curve of the digital-to-analog converter (DAC). It was found that a stable control can be achieved if a characteristic curve is defined that has negative jumps, but never a positive jump. In general, the presented can be used if something has to be switched at a characteristic point in the DAC. Then the question arises as to whether or not the switch continues "seamlessly" or continuously in the characteristic curve. If a "seamless" transition creates effort, it can be dispensed with according to the principle and instead a conscious jump of the characteristic curve or the typical design can be missed in order to save this effort.
Figurenlistelist of figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt eines Sensors, -
2 ein schematisches Schaltbild des Sensors und eines Steuergeräts, -
3 eine Darstellung eines Digital-Analog-Wandlers mit Stromquellen, -
4 eine Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers, -
5 ein erstes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers, -
6 ein zweites Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers und -
7 ein drittes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers.
-
1 a cross section of a sensor, -
2 1 shows a schematic circuit diagram of the sensor and a control device, -
3 a representation of a digital-to-analog converter with current sources, -
4 a characteristic curve of the digital-to-analog converter, -
5 a first diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter, -
6 a second diagram to illustrate the behavior of the digital-to-analog converter and -
7 a third diagram to show the behavior of the digital-to-analog converter.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Das Sensorelement
Des Weiteren weist das Sensorelement
Das Sensorelement
Das Sensorelement
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung des Aufbaus des Sensorelements
Um die gewünschten Anforderungen zu erreichen muss entweder Abgleichaufwand getrieben werden und/oder im Design des Digital-Analog-Wandlers
Angenommen die Stromquellen
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine nach unten korrigierte „gezackte“ Kennlinie mit nur negativen Sprüngen vorgesehen, bei der das Regler-Verhalten einwandfrei ist. Bei einem negativen Kennlinien-Sprung, d.h. Absenkung
Das Verfahren hilft somit nicht nur um die Monotonie-Anforderung des Digital-Analog-Wandlers
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2018
- 2018-08-13 DE DE102018213576.2A patent/DE102018213576A1/en active Pending
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